深孔注漿技術(shù)在斷層注漿加固中的應(yīng)用

成 鑫

（潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)公司夏店煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000）

斷層是井工開(kāi)采煤礦最常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造之一。對(duì)于礦井常見(jiàn)的中小型斷層而言，其不良影響有限，但又不能忽視[1-4]，需要對(duì)斷層及其影響帶進(jìn)行改造。如果確定斷層不導(dǎo)水、不含水，則需要對(duì)其破碎區(qū)域進(jìn)行注漿加固，防止在回采過(guò)程中發(fā)生片幫、冒頂事故。

1 工程概述

夏店煤礦1301 工作面位于13 采區(qū)，主采3#煤層，為走向長(zhǎng)壁工作面，采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。工作面走向長(zhǎng)886 m，傾向長(zhǎng)220 m，煤層厚度0～6.3 m，平均5.5 m，煤層傾角2～5°，平均3°。工作面布置三條巷道，分別是上巷（回風(fēng)巷）、下巷（膠帶運(yùn)輸巷）和輔助運(yùn)輸巷。

工作面下巷在掘進(jìn)過(guò)程中揭露DF35斜交斷層，位于切眼向外630 m 處。斷層落差0～5.5 m，傾角75°，工作面內(nèi)延伸長(zhǎng)度約220 m。落差超過(guò)5 m，局部可將煤層全部斷開(kāi)，工作面上巷未揭露該斷層，推測(cè)在工作面內(nèi)部尖滅。由于該斷層落差大，揭露區(qū)域頂板巖層破碎且影響范圍廣，因此，預(yù)測(cè)在回采通過(guò)該斷層破碎帶時(shí)極易發(fā)生片幫、冒頂事故，威脅工作面安全高效生產(chǎn)。

2 斷層探查孔設(shè)計(jì)與施工

為了準(zhǔn)確掌握斷層在工作面的具體展布情況，為調(diào)整綜采支架傾角和注漿鉆孔設(shè)計(jì)提供依據(jù)，在工作面下巷施工探查鉆孔。共設(shè)計(jì)探查鉆孔4 個(gè)，分別為1#、2#、3#、4#鉆孔，鉆孔位置分別位于切眼后退470 m、520 m、570 m 和620 m。根據(jù)鉆孔揭露情況，又補(bǔ)充設(shè)計(jì)鉆孔補(bǔ)2#孔對(duì)DF35 斷層進(jìn)行加密探查。根據(jù)鉆孔探查資料，繪制工作面斷層展布平面圖如圖1 所示。

由于斷層落差較大，受其影響，煤層在斷層兩側(cè)局部完全斷開(kāi)。工作面在回采過(guò)程中，綜采支架將由斷層上盤(pán)進(jìn)入斷層下盤(pán)，會(huì)切割煤層頂?shù)装澹糠忠来伟l(fā)生傾角變化并長(zhǎng)期處于半煤巖（全巖）狀態(tài)。為了明確注漿范圍，保證機(jī)采區(qū)域得到有效加固，必須根據(jù)斷層剖面圖設(shè)計(jì)工作面支架上抬次序和角度，為注漿提供明確靶區(qū)。在回采過(guò)程中支架上抬幅度要大，以減少支架在斷層影響區(qū)域穿過(guò)的距離。

圖1 DF35 斷層探查工程示意圖

3 注漿鉆孔設(shè)計(jì)與施工

注漿鉆孔設(shè)計(jì)原則：根據(jù)斷層探查情況，按照最短路徑原則分別在上、下巷設(shè)計(jì)注漿鉆孔，切眼向外450～500 m 處在上巷內(nèi)幫開(kāi)孔，切眼向外500～620 m 處在下巷內(nèi)幫開(kāi)孔。上下巷注漿鉆孔均設(shè)計(jì)為兩排，相鄰上、下鉆孔錯(cuò)開(kāi)5 m。其中下排孔距底1 m，終孔位置設(shè)計(jì)在機(jī)采范圍內(nèi)，并穿過(guò)斷層下盤(pán)煤體10 m 以上；上排孔設(shè)計(jì)距底2 m，深度至少穿過(guò)斷層面10 m，終孔位置設(shè)計(jì)在機(jī)采范圍頂部1 m 內(nèi)。

以2#探查鉆孔附近的注漿孔為例分析注漿方案，具體工作面機(jī)采范圍和注漿鉆孔設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 機(jī)采范圍及注漿設(shè)計(jì)示意圖

鉆孔設(shè)計(jì)：斷層注漿范圍為切眼后退450～620 m，合計(jì)170 m 長(zhǎng)度。上、下排鉆孔間隔分布，孔間距5 m，共設(shè)計(jì)鉆孔37 個(gè)，孔深55～130 m。上下巷鉆孔設(shè)計(jì)相同。剖面圖如圖3 所示。

4 深孔注漿材料選擇和注漿參數(shù)

4.1 深孔注漿特征分析

（1）注漿鉆孔深度較大

鉆孔深度越大，漿液在孔內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間就越長(zhǎng)，則對(duì)漿液的流動(dòng)性要求越高，同時(shí)需要具備較好的懸浮性，避免漿液沉淀。

（2）深孔注漿裂隙發(fā)育一般

深孔注漿區(qū)域遠(yuǎn)離松動(dòng)圈，超前注漿時(shí)受采動(dòng)影響較小，裂隙在應(yīng)力作用下通常呈封閉狀態(tài)，開(kāi)度較小，裂隙連通性差。所以要求注漿材料顆粒要細(xì)，以便滲入微小裂隙中，同時(shí)可利用高壓注漿打開(kāi)裂隙，增加注漿量。

（3）注漿工期短

注漿工程要在距離切眼一定距離內(nèi)進(jìn)行，因此在快速回采情況下注漿材料需具備快速凝結(jié)固化、快速硬化特性，提前達(dá)到預(yù)固結(jié)效果。

4.2 注漿材料選擇

根據(jù)深孔注漿特征，本次注漿選取超細(xì)水泥注漿材料，細(xì)度可達(dá)1250 目，混合水灰比為0.6:1。材料為單漿液材料，加水混合后，30 min 時(shí)間內(nèi)具備較好的流動(dòng)性，2～3 h 后失去流動(dòng)性，約10 h 后完全固化，之后強(qiáng)度迅速增加。1 d 后抗壓強(qiáng)度達(dá)到16 MPa，3 d 后抗壓強(qiáng)度達(dá)到26 MPa，7 d 后抗壓強(qiáng)度達(dá)到32 MPa。

4.3 注漿參數(shù)確定

注漿時(shí)間確定：超前切眼50 m 范圍內(nèi)，煤體及圍巖受到采動(dòng)影響，裂隙發(fā)育程度較高，連通性較好，吸漿量大。但在超前切眼20 m 范圍內(nèi)進(jìn)行高壓注漿易跑漿，且施工工期緊張，因此確定切眼超前20～50 m 范圍內(nèi)為最佳注漿區(qū)域。注漿工程隨著工作面回采進(jìn)度逐步開(kāi)展。

注漿壓力選擇：注漿壓力要足以擴(kuò)展注漿范圍內(nèi)的裂隙，通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定注漿壓力為25～30 MPa。

圖3 注漿鉆孔設(shè)計(jì)剖面圖

5 工程量及注漿效果

5.1 工程量

本次斷層深孔注漿改造工程共施工鉆孔37 個(gè)，實(shí)際進(jìn)尺3700 m，共消耗注漿材料135.5 t，單孔注漿量達(dá)3.7 t，單孔最大注漿量達(dá)10.2 t。

5.2 注漿效果

在正常情況下工作面每天可推進(jìn)3 m，工作面回采進(jìn)入斷層影響范圍后，在注漿區(qū)前50 m范圍內(nèi)，工作面煤墻局部成型差，共發(fā)生片幫、冒頂4 次，片冒范圍較大，大大延緩了工作面推進(jìn)進(jìn)度，工作面平均每天回采不足1 m。進(jìn)入注漿加固區(qū)域后，工作面片幫、冒頂情況大大減輕，最大片幫深度不足0.5 m，長(zhǎng)度不超5 m，對(duì)回采影響較小，工作面平均每日可回采2.5 m 左右。注漿效果如圖4 所示。

圖4 注漿加固范圍煤墻效果圖

6 結(jié)論

（1）通過(guò)探查鉆孔對(duì)斷層展布情況進(jìn)行精確探查，并進(jìn)行機(jī)采范圍預(yù)測(cè)，為注漿鉆孔設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）深孔注漿選用超細(xì)、流動(dòng)性懸浮性好的注漿材料，同時(shí)具備快速凝結(jié)和高強(qiáng)度特性。

（3）超前切眼20～50 m 范圍內(nèi)即受到采動(dòng)影響裂隙較發(fā)育，吸漿量大，注漿效果好，同時(shí)也可避免工期緊張和工作面切眼漏漿情況的發(fā)生。

（4）回采驗(yàn)證表明，利用超細(xì)單漿液水泥注漿材料進(jìn)行斷層深孔注漿加固技術(shù)對(duì)斷層破碎帶的治理效果較好，大大提高了回采效率，并最大限度地保證了回采安全，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。